CN211201981U - 一种新型柔臂tbm - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型柔臂TBM，解决了现有技术中柔臂掘进机掘进效率低的问题。本实用新型的技术方案包括刀盘掘进系统、主梁撑护系统和出渣系统，刀盘掘进系统设置在主梁撑护系统的前部，出渣系统位于主梁撑护系统上且与刀盘掘进系统相对应，所述刀盘掘进系统包括旋切刀盘和并联油缸臂，并联油缸臂的一端与旋切刀盘相连接、另一端通过回转机构与主梁撑护系统转动连接。本实用新型刀盘掘进系统的旋切刀盘在破岩方式上，既有正滚刀又有在固定刀筒轴向布置有多把旋切的侧滚刀，当带动刀盘运动的并联油缸臂完全缩回时，柔臂掘进机以正滚刀压裂破岩为主，当需要向四周扩挖洞径时以刀盘的侧滚刀旋切破岩为主，以适应不同工况，提高掘进效率。

Description

一种新型柔臂TBM

技术领域

本实用新型涉及隧道施工技术领域，特别是指一种新型柔臂TBM及其掘进方法。

背景技术

岩石隧道掘进机（TBM）是一种集机、电、液等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前TBM的开挖断面基本为圆形，矩形、马蹄形等异形断面的案例均是应用于软土隧道施工中，并且开挖断面一旦确定，在施工过程中就无法改变，造成其开挖断面形状单一，应用范围受限。国内外岩石隧道施工现状及规划表明，采用异形断面的工程越来越多，如果采用传统的掘进机定制化方案，势必大幅增加设备生产周期，不仅提高了施工成本，还会造成资源浪费。针对目前工程多样化带来的掘进机制造难题，提出了基于机器人支撑的柔臂掘进机（Robotic TBM）概念。柔臂掘进机可依靠机器人支撑刀盘在较大范围内实现六自由度运动，实现以小直径刀盘开挖大直径任意形状断面隧道。

但是国内外对柔臂掘进机的研究较少，柔臂掘进机的柔臂控制和相应刀盘的掘进效率都是柔臂掘进机设计的关键，如何使柔臂掘进机的柔臂便于控制的同时提高其控制精度，及如何提高相应刀盘的掘进效率，是现在柔臂掘进机的重点。

实用新型内容

针对上述背景技术中的不足，本实用新型提出一种新型柔臂TBM，解决了现有技术中柔臂掘进机掘进效率低的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种新型柔臂TBM，包括刀盘掘进系统、主梁撑护系统和出渣系统，刀盘掘进系统设置在主梁撑护系统的前部，出渣系统位于主梁撑护系统上且与刀盘掘进系统相对应，所述刀盘掘进系统包括旋切刀盘和并联油缸臂，并联油缸臂的一端与旋切刀盘相连接、另一端通过回转机构与主梁撑护系统转动连接。

所述回转机构包括连接盘座和主轴承，连接盘座通过主轴承与主梁撑护系统转动连接，连接盘座与设置在主梁撑护系统上的主驱动相连接，并联油缸臂铰接在连接盘座上。

所述并联油缸臂为由6个油缸组成的Stewart并联机构，6个油缸并联设置且每个油缸上设有位移传感器，回转机构的前端面设有液压阀组，液压阀组通过回转液压管与并联油缸臂相连接，回转液压管通过回转接头与设置在主梁撑护系统上的液压驱动系统相连接。

所述旋切刀盘包括固定刀筒，固定刀筒与并联油缸臂铰接，固定刀筒的前面板上设有正滚刀和边滚刀，正滚刀垂直设置在固定刀筒的前面板上，边滚刀倾斜设置在固定刀筒前面板的外边沿；固定刀筒的外环面上设有侧面旋挖刀具。

所述侧面旋挖刀具为沿固定刀筒周向设置的侧滚刀组，固定刀筒上设有至少一圈侧滚刀组，每圈侧滚刀组包括至少两个垂直设置的侧滚刀。

所述旋切刀盘还包括自转机构，固定刀筒通过自转机构与并联油缸臂连接，自转机构包括刀盘座和自转驱动，刀盘座的一端与固定刀筒转动连接、另一端与并联油缸臂铰接，自转驱动固定连接在刀盘座上，自转驱动的输出端设有主动齿轮，主动齿轮与设置在固定刀筒内部的内齿圈啮合。

所述主梁撑护系统包括主梁，主梁上设有辅助撑靴和主撑靴，辅助撑靴位于回转机构的后方，主撑靴位于辅助撑靴的后方，辅助撑靴固定在主梁上，主撑靴通过设置在主梁上的步进油缸沿主梁步进。

所述辅助撑靴和主撑靴之间设有支护系统，支护系统连接在主梁上；所述出渣系统设置在主梁上且向前延伸至刀盘掘进系统下方。

所述出渣系统包括集渣机构和皮带输送机，集渣机构倾斜设置在刀盘掘进系统下方，皮带输送机设置在主梁撑护系统的主梁上，集渣机构的出渣端与皮带输送机相对应。

本实用新型刀盘掘进系统的旋切刀盘在破岩方式上，既有正滚刀又有在固定刀筒轴向布置有多把旋切的侧滚刀，当带动刀盘运动的并联油缸臂完全缩回时，柔臂掘进机以刀盘正面板上布置的正滚刀压裂破岩为主，当需要向四周扩挖洞径时以刀盘的侧滚刀旋切破岩为主，以适应不同工况，提高掘进效率。此外，本实用新型的刀盘能相对并联油缸臂进行自转，由传统的挤压破岩转变为旋压破岩，两种工作模式可任意切换，以满足不同工况需求，提高装置的适用性。本实用新型并联油缸臂带动刀盘掘进系统的旋切刀盘摆动，实现其位置和角度的调节，灵活性好，便于控制，实现多样轮廓洞壁的开挖，满足现场施工需求，进行高效、安全施工。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为本实用新型整体前部侧视示意图。

图3为本实用新型实施例1中刀盘掘进系统采用截齿刀盘结构示意图。

图4为刀盘掘进系统与主梁撑护系统连接状态示意图。

图5为旋切刀盘主视示意图。

图6为旋切刀盘侧视示意图。

图7为实施例3中旋切刀盘自转结构示意图。

图8为实施例3中旋切刀盘结构示意图。

图9为本实用新型掘进过程流程图。

图10为本实用新型能开挖的三种轮廓形状。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、2所示，实施例1，一种新型柔臂TBM，包括刀盘掘进系统、主梁撑护系统和出渣系统，刀盘掘进系统主要用于对掌子面的开挖，配合并联油缸臂可开挖出马蹄形、矩形、圆形等轮廓如图10所示。主梁撑护系统为TBM的后配套提供支撑，同时对岩壁进行支护，其结构与现有竖井掘进机相类似。出渣系统用于对掘进过程中产生的渣土的运输。刀盘掘进系统设置在主梁撑护系统的前部，出渣系统位于主梁撑护系统上且与刀盘掘进系统相对应，即出渣系统位于刀盘掘进系统的下部，便于对渣土的快速收集和清运。所述刀盘掘进系统包括旋切刀盘1和并联油缸臂2，并联油缸臂2的一端与旋切刀盘1铰接、另一端通过回转机构与主梁撑护系统转动连接。回转机构的设置实现了并联油缸臂相对主梁撑护系统在竖直面内的转动，即实现刀盘掘进系统以主梁为轴线的主转动，对掌子面进行旋切开挖。并联油缸臂2带动刀盘掘进系统的旋切刀盘摆动，实现其位置和角度的调节，灵活性好，便于控制，实现多轮廓洞壁的开挖。

进一步，所述回转机构包括连接盘座3和主轴承4，连接盘座3通过主轴承4与主梁撑护系统转动连接，连接盘座3与设置在主梁撑护系统上的主驱动相连接，即主驱动的输出端与连接盘座相连接（可采用齿轮副连接），连接盘座通过主轴承连接在主梁撑护系统的主梁上，主驱动可采用液压马达，并联油缸臂2铰接在连接盘座3上，主驱动带动连接盘座转动，进而通过并联油缸臂带动旋切刀盘转动。所述并联油缸臂2为由6个油缸组成的Stewart并联机构，6个油缸并联设置且每个油缸上面设有位移传感器，用于检测油缸的伸缩量，6个油缸组成的Stewart并联机构使刀盘具有6个自由度，也可根据实际需要将构型进行演变，采用该构型的拓扑结构。回转机构的前端面设有液压阀组5，液压阀组5通过回转液压管6与并联油缸臂2相连接，回转液压管6通过回转接头7与设置在主梁撑护系统上的液压驱动系统8相连接，液压驱动系统为6个油缸提供伸缩动力。进一步，如图3所示，旋切刀盘可采用截齿刀盘，截齿刀盘上均匀设有截齿刀具，对掌子面进行旋切开挖。

如图4、5、6所示，实施例2，一种新型柔臂TBM，所述旋切刀盘1也可采用如下结构即包括固定刀筒101，固定刀筒101与并联油缸臂2铰接，通过并联油缸臂2调节刀盘与主轴承的偏心距离，从而实现工作空间范围内的任意形状断面的开挖。固定刀筒101的前面板上设有正滚刀401和边滚刀402，正滚刀401和边滚刀402对掌子面的开挖起主要作用，正滚刀401垂直设置在固定刀筒101的前面板上，边滚刀402倾斜设置在固定刀筒101前面板的外边沿，即正滚刀的刀刃面与前面板垂直，优选地倾斜角度θ为20°~60°，具体的以刀盘面积和开挖环境为准。固定刀筒101的外环面上设有侧面旋挖刀具105，侧面旋挖刀具对岩壁进行旋切破岩扩挖。

进一步，所述侧面旋挖刀具105为沿固定刀筒101周向设置的侧滚刀组，固定刀筒101的外壁上设有至少一圈侧滚刀组，优选地可设置两圈或三圈，每圈侧滚刀组包括至少两个垂直设置的侧滚刀，每圈侧滚刀组的侧滚刀等角度分布筒同一圆上，侧滚刀的刀刃面与固定刀筒101的外壁垂直设置。所述侧滚刀伸出固定刀筒101外环面的高度不低于边滚刀402伸出固定刀筒101外环面的高度，实现对开挖洞壁的扩挖。

初始时，并联油缸臂2完全缩回，此时刀盘与主轴承同轴线，控制并联油缸臂按照相同位移量同步推进，同时主驱动带动主轴承回转，此时刀盘起到与现有掘进机刀盘相同的工作作用，刀盘正面滚刀受力，对掌子面进行挤压旋切破岩；当刀盘正向贯入一定深度后，通过并联油缸臂作用使刀盘轴线逐渐与主轴承轴线偏离，此时刀盘进入旋切模式，主开挖刀具几乎不受轴向力，侧滚刀受旋切力，进行旋切破岩扩挖，此过程为对已开挖洞径的扩挖。

其他结构与实施例1相同。

如图7、8所示，实施例3，一种新型柔臂TBM，所述旋切刀盘1还包括自转机构，固定刀筒101通过自转机构与并联油缸臂2连接，自转机构包括刀盘座106和自转驱动107，自转驱动107可采用电机或液压马达进行驱动，为固定刀筒的自转提供动力。刀盘座106的一端与固定刀筒101转动连接、另一端与并联油缸臂2铰接，自转驱动107固定连接在刀盘座106上，自转驱动107的输出端设有主动齿轮108，主动齿轮108与设置在固定刀筒101内部的内齿圈109啮合。自转驱动转动通过主动齿轮带动内齿圈转动，进而实现固定刀筒相对刀盘座的转动，进而实现固定刀筒的自转，主开挖刀具和侧面旋挖刀具对洞壁进行旋切破岩。

进一步，所述主梁撑护系统包括主梁9，主梁9上设有辅助撑靴10和主撑靴11，辅助撑靴10位于回转机构的后方，即辅助撑靴靠近主轴承的一侧，可以更好的抵消刀盘在工作过程中由于偏离主轴承回转中心和长悬臂情况下造成的大扭矩和倾覆力矩作用，提高系统稳定性。主撑靴11位于辅助撑靴10的后方，在刀盘工作时抵住洞壁，确保整机稳定，在一个掘进周期完成后通过与步进油缸10相互配合完成掘进机步进动作。辅助撑靴10固定在主梁9上，主撑靴11通过设置在主梁9上的步进油缸12沿主梁9步进，即步进油缸与固定梁平行同向设置，在步进油缸的作用下，主撑靴沿主梁滑动，实现主撑靴11的步进，进而实现TBM的步进。所述辅助撑靴10和主撑靴11之间设有支护系统13，用来支护已经开挖过的围岩。支护系统13连接在主梁9上，支护系统13用来支护已经开挖过的围岩。所述出渣系统设置在主梁9上且向前延伸至刀盘掘进系统下方。优选地，所述出渣系统包括集渣机构14和皮带输送机15，集渣机构14倾斜设置在刀盘掘进系统下方，皮带输送机15设置在主梁撑护系统的主梁9上，集渣机构14的出渣端与皮带输送机15相对应。出渣系统用于运送刀盘开挖时掉落的碎石，出渣系统前端（集渣机构14）位于隧道底部，尾端与皮带输送机15相连，通过皮带输送机将渣土运送到掘进机尾部，完成清渣。

其他结构与实施例2相同。

实施例4：一种新型柔臂TBM的掘进方法，如图9所示，具体步骤如下：

S1：并联油缸臂2完全缩回，刀盘掘进系统的旋切刀盘1的中心轴线与回转机构的主轴承4的中心轴线重合，刀盘掘进系统处于初始状态；

S2：后台控制器根据隧道边界参数，确定预开挖轮廓，规划旋切刀盘1的运动路线；

S3：后台控制器根据S2中规划的旋切刀盘1的运动路线，设定并联油缸臂2的6个并联油缸的位移量；

S4：TBM开始掘进时，辅助撑靴10和主撑靴11撑紧在洞壁上，后台控制器控制回转机构转动，主驱动带动刀盘掘进系统转动，同时并联油缸臂2执行预先设定的动作，刀盘掘进系统的旋切刀盘1按照既定路径开挖；

S5：在步骤S4中后台控制器根据6个并联油缸上的位移传感器实时监测并联油缸臂2的位移量和摆动角度，并对并联油缸臂2的位移量和摆动角度进行同步修正，确保并联油缸臂2带动刀盘掘进系统按照既定路径开挖，直至完成一个开挖周期；

S6：完成一个开挖周期后，三维扫描传感器扫描已开挖的随道轮廓，并将相应信息传递给控台控制器，后台控制器将已开挖的随道轮廓与预开挖轮廓进行对比，确定轮廓修整路径；

S7：根据步骤S6的轮廓修整路径，当已开挖的随道轮廓与预开挖轮廓相差较多时、或便于刀盘掘进系统修整时通过刀盘掘进系统修整；当已开挖的随道轮廓与预开挖轮廓相差较小时或不便于刀盘掘进系统修整时，通过人工对洞壁进行修整；

S8：修整完成后，重复步骤S1~S7，进入下一个开挖周期。

在步骤S4~S5中旋切刀盘1开挖包括该旋切刀盘1主转动下的掘进和该旋切刀盘1自转辅助转动下的掘进；所述该旋切刀盘1主转动下的掘进时：主驱动通过并联油缸臂2带动固定刀筒101转动，固定刀筒101的前面板上的正滚刀401和边滚刀402对掌子面进行挤压旋切破岩，固定刀筒101外环面上的侧面旋挖刀具105进行旋切破岩扩挖；

该旋切刀盘1自转辅助转动下的掘进时，主驱动通过并联油缸臂2带动固定刀筒101转动，于此同时，自转驱动107带动固定刀筒101自转，固定刀筒101的前面板上的正滚刀401和边滚刀402对掌子面进行挤压和旋切联合破岩，固定刀筒101外环面上的侧面旋挖刀具5进行辅助旋切破岩。当刀盘正向贯入一定深度后，通过并联油缸机构作用使刀盘轴线逐渐与主轴承轴线偏离，此时刀盘进入完全旋切模式，主开挖刀具几乎不受轴向力，侧滚刀受旋切力，主开挖刀具和侧滚刀进行旋切破岩扩挖。

其他结构与实施例3相同。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型柔臂TBM，包括刀盘掘进系统、主梁撑护系统和出渣系统，刀盘掘进系统设置在主梁撑护系统的前部，出渣系统位于主梁撑护系统上且与刀盘掘进系统相对应，其特征在于：所述刀盘掘进系统包括旋切刀盘（1）和并联油缸臂（2），并联油缸臂（2）的一端与旋切刀盘（1）相连接、另一端通过回转机构与主梁撑护系统转动连接。

2.根据权利要求1所述的新型柔臂TBM，其特征在于：所述回转机构包括连接盘座（3）和主轴承（4），连接盘座（3）通过主轴承（4）与主梁撑护系统转动连接，连接盘座（3）与设置在主梁撑护系统上的主驱动相连接，并联油缸臂（2）铰接在连接盘座（3）上。

3.根据权利要求1或2所述的新型柔臂TBM，其特征在于：所述并联油缸臂（2）为由6个油缸组成的Stewart并联机构，6个油缸并联设置且每个油缸上设有位移传感器，回转机构的前端面设有液压阀组（5），液压阀组（5）通过回转液压管（6）与并联油缸臂（2）相连接，回转液压管（6）通过回转接头（7）与设置在主梁撑护系统上的液压驱动系统（8）相连接。

4.根据权利要求3所述的新型柔臂TBM，其特征在于：所述旋切刀盘（1）包括固定刀筒（101），固定刀筒（101）与并联油缸臂（2）铰接，固定刀筒（101）的前面板上设有正滚刀（401）和边滚刀（402），正滚刀（401）垂直设置在固定刀筒（101）的前面板上，边滚刀（402）倾斜设置在固定刀筒（101）前面板的外边沿；固定刀筒（101）的外环面上设有侧面旋挖刀具（105）。

5.根据权利要求4所述的新型柔臂TBM，其特征在于：所述侧面旋挖刀具（105）为沿固定刀筒（101）周向设置的侧滚刀组，固定刀筒（101）上设有至少一圈侧滚刀组，每圈侧滚刀组包括至少两个垂直设置的侧滚刀。

6.根据权利要求4所述的新型柔臂TBM，其特征在于：所述旋切刀盘（1）还包括自转机构，固定刀筒（101）通过自转机构与并联油缸臂（2）连接，自转机构包括刀盘座（106）和自转驱动（107），刀盘座（106）的一端与固定刀筒（101）转动连接、另一端与并联油缸臂（2）铰接，自转驱动（107）固定连接在刀盘座（106）上，自转驱动（107）的输出端设有主动齿轮（108），主动齿轮（108）与设置在固定刀筒（101）内部的内齿圈（109）啮合。

7.根据权利要求1或2或4或6所述的新型柔臂TBM，其特征在于：所述主梁撑护系统包括主梁（9），主梁（9）上设有辅助撑靴（10）和主撑靴（11），辅助撑靴（10）位于回转机构的后方，主撑靴（11）位于辅助撑靴（10）的后方，辅助撑靴（10）固定在主梁（9）上，主撑靴（11）通过设置在主梁（9）上的步进油缸（12）沿主梁（9）步进。

8.根据权利要求7所述的新型柔臂TBM，其特征在于：所述辅助撑靴（10）和主撑靴（11）之间设有支护系统（13），支护系统（13）连接在主梁（9）上；所述出渣系统设置在主梁（9）上且向前延伸至刀盘掘进系统下方。

9.根据权利要求8所述的新型柔臂TBM，其特征在于：所述出渣系统包括集渣机构（14）和皮带输送机（15），集渣机构（14）倾斜设置在刀盘掘进系统下方，皮带输送机（15）设置在主梁撑护系统的主梁（9）上，集渣机构（14）的出渣端与皮带输送机（15）相对应。

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